PCB設計的優化

 為了滿足日益增加的PCB設計要求，不少設計工程師感到壓力頗重。每一類新的設計都伴隨著性能和可靠性方面的失效風險。設計過程中大的問題是如何在散熱方案和信號完整性中進行取舍。連接元件的高速時鐘速度需要緊密的靠近，以便確保不出現信號衰減。但是這類元件還是無法避免的有很多耗散熱，因此它們之間應盡可能的遠離，從而有助于降低它們的溫度。

本文描述了如何應用熱仿真對PCB板散熱性能進行優化設計。這一PCB板是通過楔形裝置緊鎖在機箱內，并且對機箱外部的散熱器翅片進行強迫風冷。在一些惡劣的環境條件下，根據局部環境空氣溫度并且以導熱為主要散熱方式，如何實現正常的元件結溫成了一大難題。 

初平面布置方案

圖1顯示了初的平面布置。外部受到強迫風冷的機箱可以使PCB楔形緊鎖裝置處獲得35 ºC的溫度。局部空氣溫度為75 ºC。盡管所有的元件都有熱耗散，但是微處理器和內存是整個PCB板上熱耗散的主要組成部分。

圖1 初始平面布置和重要元件及楔形緊鎖裝置

設計目標和限制

有很多種方法可以進行布局的熱設計，但是它們都遵從一個原則，那就是如何迅速、方便的將芯片內的熱量傳遞至室外環境中。在這一例子中，我們使用Flomerics的Flotherm軟件通過仿真計算對兩種有助于排除熱量的改進方法進行數值模擬。

首先，以不同相互間距離將內存和微處理器遠離，這里我們保持內存位置不變。這樣做有兩方面的好處，一是移動了處理器的位置，減少了它對內存的熱影響。另外，處理器的位置更靠近楔形緊鎖裝置可以獲得更低的溫度。

其次，對內存和微處理器下部的陣列熱過孔的影響進行了計算。圖2中對熱過孔進行了放大顯示。熱過孔有助于熱量進入到PCB板的內部金屬層，特別是那些幾乎布滿整個PCB板的電源層和地層，在這些層上熱量可以迅速的傳遞到邊緣的楔形緊鎖裝置。如果沒有這些熱過孔的存在，那么在微處理器和楔形緊鎖裝置中存在很大的熱阻，這主要是因為PCB板頂部的信號層熱阻很大。

圖2 內存和微處理器遠離以及熱過孔陣列

這一類新設計的PCB板采用GHz的信號頻率和百億分之一秒信號上升時間來進行工作。由于這類上升時間與波長具有相同的狀態，所以關鍵信號的衰減可能大為增加。因此內存和微處理器之間的距離又應盡可能的短，在這一例子中不應超過11mm。

微處理器（封裝形式為TBGA）的大額定結溫是100 ºC。盡管元件供應商提供了一些表征熱性能的數據 (例如：芯片結點和環境之間的熱阻)，但是這些數據僅僅適用于一些特定的場合。對于這類既復雜又存在元件之間相互熱影響的實際設計而言，為可靠的熱設計方法只能是對整個PCB板組件進行3D的數值仿真。 

熱仿真

然而，傳統的仿真方法只是集中于單一的研究，僅僅提供一個可行或不可行的結論。優秀的數值仿真應該可以研究設計發生變化之后，會對散熱性能產生何種影響。這就有助于設計工程師確定設計優化的參數，從而實現整個設計目標。

這可以通過建立和模擬一個設計實驗（DoE）來完成。使用這一方法首先需要確定設計變量。在這一例子中，這些變量是內存和微處理器之間的距離和這些元件下方熱過孔的陣列密度。以所有20個仿真方案為基礎，將這兩個變化參數的不同組合和相應微處理器的大結溫生成一張3D圖。 

圖3顯示了兩個極端的DoE設計方案，方案1是元件下沒有熱過孔以及微處理器和內存非常接近，方案2是四個元件下均有稠密的熱過孔以及微處理器位置非常接近楔形緊鎖裝置。

圖3 差和優的方案設計結果

響應面

20個仿真方案結果使我們對這些方案的散熱性能有了直觀的了解，例如，圖3中所顯示的優和差方案的結溫。然而，可以通過使用20個仿真方案結果數據進行 “響應面”擬合，從而獲得更為直觀和完整的3D結果圖形。這種響應面擬合是非常先進的曲線擬合。它將兩個設計參數的交叉作用對結溫（圖4）的影響完美的結合起來，給人一種直觀、清晰的觀察視角。

圖4 結溫和設計參數之間的響應面

注意：元件下部的熱過孔作用通過熱導率的形式進行量化。0.3 W/mK (FR4熱導率)表明元件下部有稠密的熱過孔陣列。

圖4的響應面3D圖充分表明內存和微處理器之間的距離越大，則處理器的結溫越低。此外，在一個比較小的范圍內熱過孔密度對結溫的影響很大。如果不考慮內存和微處理器之間的距離，在熱導率大約0～3 W/mK范圍內，少量的熱過孔密度增加就可以獲得顯著的散熱效果。之后再進一步增加元件下熱過孔的陣列密度只有少量的獲益。

使用圖5可以獲得一個更為量化的圖表。其中顯示的變量線只是圖4的一部分，以熱過孔的陣列密度為變量線。元件之間距離和大結溫的限制，在圖中以黑色直線區域所表示。通過觀察允許設計范圍內的響應曲線，很明顯通過大化元件下熱過孔的數目，可以使整個設計具有一定的余量。

圖5 表征設計限制的響應面區域

結論

通過使用設計實驗（Design of Experiments）功能，完成了大量的數值仿真，之后通過仿真結果創建了響應面3D圖，從而對設計目的隨設計變量響應有了一個直觀的了解。這有助于快速地確定設計中的折衷方案，并且可以小化后期由于缺乏設計目的與設計變量之間響應關系所造成的散熱風險。

本文所介紹的這一例子描述了兩個獨立變量共同作用對散熱性能的影響。事實上，這一仿真方法可以應用到任意數量的設計變量中。舉例，正如兩個微處理器與楔形緊鎖裝置之間的距離是變量一樣，內存和楔形緊鎖裝置之間的距離也可以作為設計變量。在現實中，仿真研究的優化限制范圍由設計工程師以及計算可用的資源和時間所確定。